Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi."

Sofia Laine
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Lämpöoppi Termodynaaminen systeemi Tilanmuuttujat (suureet) Lämpötila T (K) Absoluuttinen asteikko eli Kelvinasteikko! Paine p (Pa, bar) Tilavuus V (l, m 3, ) Ainemäärä n (mol) Eristetty systeemi Ei ole vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa Eristettyyn systeemiin muodostuu itsestään termodynaaminen tasapaino Suljettu systeemi Vaihtaa ympäristönsä kanssa energiaa, mutta ei ainetta Avoin systeemi Vaihtaa ympäristönsä kanssa sekä ainetta, että energiaa Eristetty systeemi Suljettu systeemi Avoin systeemi ympäristö energiaa ainetta energiaa

2 Energian säilymislaki Myös systeemin sisäenergia huomioitava rakenneosasten lämpöliikkeen ja rakenneosasten välisten vuorovaikutusten potentiaalienergioiden summa Vain sisäenergian muutos voidaan mitata Lämpötila Tilastollinen suure, joka määritellään aineen rakennehiukkasten keskimääräisen liike-energian avulla. Absoluuttinen nollapiste -273,15 C = 0 K. Lämpö Ei voida koskaan saavuttaa Makrotaso: Lämpötilaerosta johtuvaa energian siirtymistä korkeammasta lämpötilasta matalampaan Mikrotaso: Termisen energian eli aineen rakenneosasten lämpöliikkeeseen liittyvän energian siirtymistä (systeemistä ympäristöön tai päinvastoin)

3 Lämmön siirtyminen Kuljettuminen (konvektio) Termistä energiaa siirtyy liikkuvan aineen mukana Merivirrat, tuulet, keskuslämmitysjärjestelmä Johtuminen Tarvitaan väliaine, joka on osa termodynaamista systeemiä Metallit ovat hyviä lämmönjohteita Säteily Termistä alkuperää oleva energia siirtyy kappaleesta ympäristöön sähkömagneettisena säteilynä Ei tarvitse väliainetta Infrapunasäteily Lämpölaajeneminen Verrannollinen alkuperäiseen pituuteen/pinta-alaan/tilavuuteen Verrannollinen lämpötilan muutokseen ΔT Riippuu aineesta (pituuden lämpötilakerroin = )

4 Ideaalikaasu Matemaattinen malli (yksinkertaistus) reaalikaasuista kaasumolekyylit pistemäisiä (tilavuus oletetaan nollaksi) rakenneosaset jatkuvassa, satunnaisessa ja suoraviivaisessa liikkeessä törmäysten vuoksi liikerata on murtoviiva rakenneosat törmäilevät toisiinsa ja säiliön seiniin täysin kimmoisasti ei muuta vuorovaikutusta toisiinsa ideaalikaasun tilanyhtälö Avogadron laki pv T vakio Samassa lämpötilassa ja paineessa yhtä suuret tilavuudet eri kaasuja sisältävät yhtä monta molekyyliä NTP-tilassa yksi mooli ideaalikaasua vaatii tilavuuden 22,4 l nr

5 Aineen olomuodot (eli faasit) kiinteä neste kaasu (plasma, kondensaatit) Olomuodon muutoksissa sitoutuu tai vapautuu energiaa Faasikaaviolla kuvataan aineen olomuotoja (T,p)-koordinaatistossa kolmoispisteen paineessa ja lämpötilassa kaikki kolme olomuotoa ovat tasapainossa neste-kaasu-tasapainokäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen, jota suuremmissa lämpötiloissa ja paineissa nestemäisen ja kaasumaisen olomuodon raja häviää kriittisen lämpötilan alapuolella höyry voidaan aina tiivistää nesteeksi kriittisen lämpötilan alapuolella puhutaan (vesi)höyrystä ja yläpuolella kaasusta Haihtuminen nesteen höyrystymistä nesteen vapaasta pinnasta tapahtuu kaikissa lämpötiloissa Kiehuminen tapahtuu kaikkialla nesteessä tapahtuu lämpötilassa, jossa nesteen sisäinen höyrynpaine ulkoinen paine härmistyminen

6 Lämpökapasiteetti C = Q/ΔT ilmaisee kuinka paljon kappale voi ottaa vastaan tai luovuttaa energiaa lämpönä yhtä lämpötilayksikköä kohti ominaislämpökapasiteetti c ilmaisee aineen lämpönä luovuttaman tai vastaanottaman energian massa- ja lämpötilayksikköä kohti Q = cmδt ominaishöyrystymislämpö r = Q/m se energia Q massayksikköä m kohti, joka on vietävä lämpönä kiehumispisteessä olevaan nesteeseen, jotta se höyrystyisi ominaissulamislämpö s = Q/m se energia Q massayksikköä m kohti, joka on vietävä lämpönä sulamispisteessä olevaan kiinteään aineeseen, jotta se sulaisi nesteeksi Laskutehtävissä piirrä kaavio, josta näkee mihin prosesseihin (lämmitys, olomuodon muutokset) lämpömäärä kuluu

7 Yo-tehtävä, K2000/5 Termospullossa on 0,60 kg vettä, jonka lämpötila on 25 C. Pulloon kaadetaan 0,41 kg jääpaloja, joiden lämpötila on -8,0 C, ja sekoitetaan. Kuinka paljon jäätä jää sulamatta? Kuinka pitkän ajan kuluttua jää on kokonaan sulanut, kun ympäristöstä siirtyy pulloon lämpövirta 11 kj/h? Termospullon lämpökapasiteetti on 0,15 kj/ C. Ratkaisu: Mitä tapahtuu? Mitä säilymislakia voidaan soveltaa? Termospullon ja termospullon veden lämpö lämmittää jään sulamispisteeseen ja sulattaa osan jäästä. Q t termospullo C = 0,15 kj/ C T T jään lämmitys j m j = 0,41 kg Q j T 1 = 25 C => 0 C c j = 2,09 kj/kg C T 2 = -8 C => 0 C lämmin vesi m v = 0,60 kg vesi ja termospullo jäähtyy Q v c v = 4,19 kj/kg C jään sulatus m s =? s = 333 kj/kg Q s

8 Tasapainotila saavutetaan käytännössä niin nopeasti, ettei sekoitusaikana pulloon siirtyvää lämpömäärää tarvitse huomioida. Kaavion perusteella saadaan siis yhtälö Q t + Q v = Q j + Q s C T + c v m v T = c j m j T j + sm s m s = C T + c vm v T c j m j T j s 0,15 kj kj 25 K + 4,19 K m s = m s 0,1794 kg kj 0,60 kg 25 K 2,09 kg K 333 kj kg Sulamatta jäi 0,41 kg 0,1794 kg = 0,2306 kg 0,23 kg Sulamiseen vaaditaan energiamäärä Q = sm = 333 kj 0,2306 kg 76,79 kj kg Lämpöä virtaa systeemiin teholla P = 11 kj/h. Sulamiseen kuluu aika: t = Q P = 76,79 kj 11 kj/h 7,0 h V: Sulamiseen kuluu aikaa 7 tuntia 0,41 kg 8 K kg K

Samankaltaiset tiedostot

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt Physica 9 1. painos 1(7) : 12.1 a) Lämpö on siirtyvää energiaa, joka siirtyy kappaleesta (systeemistä) toiseen lämpötilaeron vuoksi. b) Lämpöenergia on kappaleeseen (systeemiin) sitoutunutta energiaa.